Nghiên cứu tính toán thiết kế tối ưu bộ xúc tác trung hòa khí thải 3 chức năng cho xe du lịch

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - - TRỊNH VĂN CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TỐI ƯU BỘ XÚC TÁC TRUNG HÒA KHÍ THẢI CHỨC NĂNG CHO XE DU LỊCH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS HOÀNG ĐÌNH LONG Hà Nội - Năm 2014 MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh mục hình vẽ Mở đầu Chương - TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG VÀ PHƯƠNG PHÁP KIỂM SOÁT 1.1 Đặc điểm phát thải độc hại động xăng 1.1.1 Ô xit cacbon (CO) 1.1.2 Hydro cacbon chưa cháy (HC) 1.1.3 Các loại ô xit nitơ (NOx) 1.1.4 Các thành phần độc hại khác 10 10 11 11 1.2 Các biện pháp giảm phát thải 1.2.1 Tối ưu hóa kết cấu động 1.2.2 Dùng nhiên liệu thay 12 12 18 1.2.3 Xử lý khí thải 21 Chương – ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI SỬ DỤNG BỘ XÚC TÁC CHỨC NĂNG VÀ PHƯƠNG ÁN CẢI TIẾN 23 2.1 Đặc điểm phát thải ô tô có sử dụng xúc tác thành phần 2.2 Các phương pháp tăng hiệu xúc tác giai đoạn khởi động lạnh chạy ấm máy 2.2.1 Tối ưu hóa kết cấu xúc tác 2.2.2 Sấy nóng nhanh xúc tác nguồn lượng bên 2.2.3 Sấy nóng nhanh xúc tác khí thải 23 2.3 Phương án thiết kế cải tiến xúc tác chức phương pháp tính toán 2.3.1 Phương án thiết kế cải tiến 2.3.2 Phương pháp quy trình tính toán 29 Chương – XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ TẢ QUÁ TRÌNH XÚC TÁC TRUNG HÒA KHÍ THẢI 31 26 26 26 27 29 30 3.1 Giới thiệu chung 3.2 Quá trình truyền nhiệt hệ thống thải 3.2.1 Giới thiệu chung 31 33 33 3.2.2 Mô hình hóa trình truyền nhiệt ống thải 3.3 Các phản ứng xúc tác trung hòa thành phần độc hại xúc tác 3.4 Các phương trình trao đổi nhiệt trao đổi chất xúc tác 33 38 Chương 4- KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG VÀ XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC BỘ XÚC TÁC 4.1 Kết tính toán mô 4.1.1 Sự thay đổi nhiệt độ khí thải dọc đường ống thải 4.1.2 Hiệu BXT lõi 4.1.3 Hiệu BXT lõi 4.2 Xác định kích thước xúc tác 52 Kết luận hướng phát triển đề tài TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 52 53 54 57 59 61 LỜI CAM ĐOAN Tên : Trịnh Văn Chương Số hiệu HV : CA 120110 Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu Những nội dung trình bày luận văn thực với hướng dẫn giúp đỡ thày giáo PGS.TS Hoàng Đình Long, thày, cô Viện khí động lực tham gia góp ý bạn bè, đồng nghiệp Toàn nội dung luận văn hoàn toàn phù hợp với nội dung đăng ký phê duyệt Viện trưởng viện khí động lực-Trường Đại học Bách Khoa HN Các số liệu luận văn trung thực TÁC GIẢ Trịnh Văn Chương LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Hoàng Đình Long, người hướng dẫn tận tình chu đáo mặt chuyên môn để hoàn thành luận văn Đồng thời xin chân thành cảm ơn thầy cô bạn đồng nghiệp Bộ môn Động đốt - Viện Cơ khí Động lực, Viện Đào tạo Sau đại học giúp đỡ tạo điều kiện sở vật chất suốt thời gian học tập làm luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy bạn đồng nghiệp Bộ môn Động đốt Phòng thí nghiệm Động đốt tạo điều kiện thời gian, vật chất lẫn tinh thần để hoàn thành luận văn Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè, người động viên chia sẻ với nhiều suốt thời gian tham gia học tập làm luận văn Tác giả Trịnh Văn CHương DANH MỤC HÌNH VẼ Nội dung Trang Hình 1-1 Thành phần sản vật cháy động xăng Hình 1-2 So sánh động dùng hỗn hợp thường hỗn hợp nghèo 13 Hình 1-3 Ảnh hưởng tỷ số nén  đến NOx 15 Hình 1-4 Sơ đồ động sử dụng luân hồi khí thải 16 Hình 1-5 Phương pháp hình thành khí hỗn hợp phân lớp 17 Hình 1-6 Động phun xăng trực tiếp 18 Hình 2-1 Bộ xử lý chức 22 Hình 2-2 Vị trí lắp xúc tác xe 24 Hình 2-3 Sơ đồ BXT xử lý khí thải chức truyền thống 26 Hình 2-4 Sơ đồ BXT xử lý khí thải chức cải tiến lõi, đường kính 120mm, tổng chiều dài lõi L 130mm 26 Hình 3-1 Sơ đồ hệ thống thải xử lý khí thải động xe FORD LASER 30 Hình 3-2 Hiện tượng trao đổi nhiệt kênh BXT 42 Hình 4-1 Sự phân bố nhiệt độ khí thải chế độ không tải toàn tải 53 Hình 4-2 Hiệu BXT lõi dài 185mm chế độ toàn tải theo thời gian từ lúc khởi động 54 Hình 4-3 Hiệu BXT lõi dài 185mm chế độ khởi động lạnh chạy ấm máy theo thời gian từ lúc khởi động 54 Hình 4-4 Hiệu BXT lõi với chiều dài khác chế độ khởi động lạnh chạy ấm máy theo thời gian từ lúc khởi động 55 ( L 185mm) Hình 4-5 Hiệu BXT cải tiến lõi chế độ toàn tải theo thời gian từ lúc khởi động, lõi dài 0,35L; lõi dài 0,65L(L 65mm) 56 Hình 4-4 Hiệu BXT cải tiến lõi chế độ khởi động lạnh chạy ấm máy theo thời gian từ lúc khởi động, lõi dài 0,35L; lõi dài 0,65L(L 65mm) 57 MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Động đốt đóng vai trò quan trọng kinh tế quốc dân nguồn động lực phương tiện vận tải như: Ôtô, tàu thuỷ, tàu hoả, máy bay…hay máy công tác như: máy phát điện, máy xây dựng, máy công cụ công nghiệp, nông nghiệp…năng lượng mà động đốt cung cấp chiếm khoảng 80% tổng lượng toàn trái đất Tuy nhiên động đốt nguồn gốc gây ô nhiễm môi trường Trong tình hình giới ngày phát triển với tốc độ chóng mặt, sản lượng công nghiệp năm ngày tăng nhanh nguồn lượng tiệu thụ giới ngày lớn Động đốt nguồn cung cấp lượng chủ yếu trái đât Chính mà lượng sản phẩm khí thải từ động đốt năm giới ngày tăng, gây ô nhiễm môi trường nặng nề ảnh hưởng trực tiếp biến đổi khí hậu ngày phức tạp, trái đất ngày nóng lên, ảnh hưởng xấu tới sức khoẻ người, gây nạn tuyệt chủng động thực vật toàn giới Để giảm lượng độc hại phát từ sản phẩm khí thải động đốt mà trì tốc độ phát triển công nghiệp giới, số nước có công nghiệp phát triển hàng đầu giới, nước có lượng khí thải phát sinh độc hại gây ô nhiễm nhiều giới như: Mỹ, Nhật Bản số nước Châu Âu đầu việc nghiên cứu đưa biện pháp giảm thiểu lượng khí thải độc hại môi trường Bên cạnh nước đưa tiêu chuẩn nồng độ chất độc hại khí thải động bắt buộc xe sản xuất nước xe nhập phải tuẩn thủ tiêu chuẩn khí thải Để đánh giá chất lượng động phương diện khí thải, động phải thử nghiệm điều kiện cụ thể theo chu trình thử nghiệm quy định Hiện giới có nhiều chu trình thử như: Chu trình Mỹ, Nhật Bản, Châu Âu… ứng với chu trình thử tiêu chuẩn khí thải Các hệ thống tiêu chuẩn xây dựng cho loại động khác như: Động xe máy, động tĩnh tải, động xe xe tải nhẹ, động xe tải nặng… Ở Châu Âu áp dụng số chu trình thử như: ECE15, EUDC, NEDC… để thử nghiệm công nhận kiểu cho dòng xe Bắt đầu áp dụng tiêu chuẩn khí thải EURO vào năm 1992, EURO vào năm 1996, EURO vào năm 2000, EURO vào năm 2005 Các tiêu chuẩn ngày khắt khe nồng độ chất khí thải động Ở Việt Nam trước tình hình kinh tế đất nước bước vào giai đoạn đầu nước có kinh tế phát triển phải tuân theo xu hướng chung giới là: Phát triển bền vững, tức phát triển bảo vệ môi trường Chính mà nhà nước ta áp dụng chu trình thử tiêu chuẩn Châu Âu để thử nghiệm công nhận kiểu cho dòng xe Đặc biệt nhà nước ta bắt đầu áp dụng tiêu chuẩn EURO từ ngày 01/07/2007 cho tất phương tiện vận tải đất nước ta Trên xe ôtô du lịch loại Ford Laser 1.8, hệ thống thải trang bị xúc tác (BXT) thành phần đạt tiêu chí khí thải theo tiêu chuẩn EURO II Tuy nhiên điều kiện vận hành thực tế Việt Nam sở hạ tầng đường sá chật hẹp điều kiện vận hành xe đông đúc, hành trình vận hành trung bình ngắn phải khởi động lạnh chạy không tải nhiều nên BXT lâu đạt đến nhiệt độ làm việc hiệu (trên 350oC) Điều làm tăng phát thải độc hại xe Chính vậy, việc nghiên cứu cải tiến BXT để cắt giảm lượng phát thải giai đoạn khởi động lạnh chạy ấm máy cần thiết có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao Đề tài “Nghiên cứu tính toán thiết kế tối ưu BXT chức cho xe du dịch” để hướng tới mục tiêu MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 2.1 MỤC ĐÍCH Đưa giải pháp thiết kế phương pháp tính toán thiết kế tối ưu xúc tác chức cho xe du lịch để tăng hiệu xử lý khí thải giai đoạn khởi động lạnh chạy ấm máy để cắt giảm phát thải độc hại xe giai đoạn này, góp phần cắt giảm tổng lượng phát thải độc hại phương tiện 2.2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Động xe du lịch nói chung áp dụng tính toán cụ thể cho động xe Ford Laser 1.8 2.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nghiên cứu tăng hiệu BXT giai đoạn khởi động lạnh chạy ấm máy xe ôtô Ford Laser 1.8 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nội dung nghiên cứu gồm - Nghiên cứu trình truyền nhiệt đường ống thải để xác định phân bố nhiệt độ khí thải dọc theo đường ống, qua xác định vị trí hợp lý lắp đặt xúc tácvà làm sở cho việc tính toán xúc tác - Nghiên cứu chọn phương án thiết kế xúc tác (BXT) thực mô hình hóa tính toán trình phản ứng xúc tác, trung hòa khí thải BXT, từ đưa thiết kế tối ưu BXT Phương pháp nghiên cứu mô hình hóa CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG VÀ PHƯƠNG PHÁP KIỂM SOÁT 1.1 Đặc điểm phát thải độc hại động xăng Quá trình cháy động đốt trình ôxy hoá nhiên liệu, giải phóng nhiệt diễn buồng cháy động theo chế phức tạp chịu ảnh hưởng nhiều thông số Trong trình cháy sinh hợp chất trung gian phức tạp Ở điều kiện lý tưởng đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu Hydrocacbon với ôxy không khí sinh sản phẩm cháy không độc hại CO2, H2O phương trình phản ứng cháy sau đây: CnH2n + + 3n  O2 → n CO2 + ( n+1 ) H2O + Q Tuy nhiên, động trạng thái cân hoá học lý tưởng cháy khó thảiy thời gian cho trình oxi hoá ngắn Hơn nữa, thiếu đồng hỗn hợp nhiên liệu, thay đổi nhanh nhiệt độ ảnh hưởng yếu tố khác dẫn đến sinh trình ôxy hoá không hoàn toàn Do đó, sản phẩm cuối khí thải chứa chất sau: CO2, H2O, H2, CO, O2 (dư), C-H-O (an-đê -hít), CmHn (nhiên liệu không cháy hết), NOx, chất thải dạng hạt (Particulale Matter viết tắt P-M), hợp chất chứa chì Pb (đối với động dùng xăng pha chì), hợp chất chứa lưu huỳnh (đối với động diesel) Trong số chất này, có số chất có tính độc hại môi trường ảnh hưởng đến sức khỏe người nên gọi thành phần độc hại Tìm hiểu cách hình thành, biện pháp hạn chế thành phần độc hại nhiệm vụ cần thiết cấp bách giai đoạn Thành phần khí thải động xăng thể hình 1.1 [1] Trong số thành phần khí thải giới thiệu, có số thành phần có tính độc hại môi trường sức khoẻ người Cụ thể sau: h Nu.k g d  d 3 Nu  0,571 Re  x  Sh.D j hDj  d  d Sh  0,705 Re  x  (3.38) , 43 Sc 0,56 Hệ số dẫn nhiệt khí thải coi xấp xỉ không khí N Hệ số khuếch tán thành phần j tính việc sử dụng công thức Slatteevy- Bird Theo công thức hệ số khuếch tán (Dab) khí A B tính sau:  T   a T  Cj   1 (  CH  CB ) (TCATCB ) 12    M A M B  D AB     b (3.39) Trong : + DAB hệ số khuếch tán khối lượng khí A khí B + p áp suất khí + a, b số + MA , MB khối lượng khí A, B Công thức Slatteevy- Bird ứng dụng cho khí hay khí Trong trường hợp tính khuếch tán khí j bình xúc tác dòng khí bề mặt vách hình ta có phương trình xác đinh sau : D j T  a.  Ta  2 (  c j ) (TCj )    M j     b (3.40) Giải hệ phương trình phản ứng hoá học, trao đổi nhiệt trao đổi chất điều kiện đầu điều kiện biên nói cho ta nhiệt độ BXT từ xác định thành phần khí điểm khác từ cửa vào đến 47 cửa hiệu trung hoà thành phần độc hại xúc tác thời điểm khác từ bắt đầu khởi động đến xúc tác đạt trạng thái làm việc bình thường ổn định Hiệu suất tính sau  = nồng độ trước xử lý – nồng độ sau xử lý / nồng độ trước xử lý Dữ liệu đầu vào bình xúc tác : + Lưu lượng khối lượng dòng khí + Nhiệt độ khối khí + Thành phần khí thải vào xúc tác + Các điều kiện biên + Các điều kiện khác bình xúc tác Các thông số hình học kết cấu xúc tác trước hết chọn sơ sau mô hình hoá tính toán thông số làm việc hiệu xúc tác Dựa kết tính toán để chọn xác chiều dài hợp lý xúc tác Những thông số cần thiết cho mô hình tính toán : + Kích thước xúc tác + Mật độ chất xúc tác + Chiều dày vách + Hệ số truyền nhiệt + Các thông số dòng khí gồm : tốc độ dòng khí, thành phần khí thải, nhiệt độ khí thải trước vào xúc tác Hệ phương trình bao gồm phương trình với điều kiện biên để giải ẩn cgv ; Cw ;Tg ; Cig ; Ts ; Csg với j = đến cgv - nhiệt dung riêng đẳng tích Cw - Hàm lượng thành phần bề mặt xúc tác 48 Tg-Nhiệt độ khí thải Ts- Nhiệt độ xúc tác Csg- Hàm lượng độc hại không khí Cig- Thành phần chất độc hại không khí Sử dụng phương pháp Rangkuta sai phân hữu hạn để giải toán Để tính toán ta chia đoạn xúc tác thành n phần theo hướng dọc trục xúc tác với bước nhảy  x = 0,0025 (m) Trên sở bước không gian ta chọn bước thời gian  t = 0,005 (s) Vì ta chia số phân tố đủ lớn tức bước nhảy không gian thời gian đủ nhỏ nên coi trình trao đổi nhiệt chất lượng đoạn phân tố bước nhảy thời gian ổn định Bài toán số hoá giải ngôn ngữ lập trình FORTRAN Phương pháp giải phương trình hoá học trao đổi nhiệt xúc tác Giải hệ phương trình phản ứng hoá học truyền nhiệt cho ta nhiệt độ sau qua xúc tác từ xác định hiệu xúc tác Hiệu suất tính sau  = nồng độ trước xử lý – nồng độ sau xử lý / nồng độ trước xử lý Dữ liệu đầu vào bình xúc tác : + Lưu lượng khối lượng dòng khí + Nhiệt độ khối khí + Thành phần khí thải vào xúc tác + Các điều kiện biên + Các điều kiện khác bình xúc tác Những thông số xúc tác trước hết chọn sau kiểm nghiệm tính hiệu xúc tác Những thông số cần thiết cho mô hình tính toán : + Kích thước xúc tác 49 + Mật độ + Chiều dày vách + Sức tải nhiệt bình + Các thông số dòng khí gồm : -Tốc độ dòng khí -Thành phần khí thải - Nhiệt độ khí thải trước vào xúc tác Hệ phương trình bao gồm phương trình với điều kiện biên để tìm ẩn : cgv ; Cw ;Tg ; Cig ; Ts ; Csg với j = đến Để đơn giản ta coi toán với mô hình chiều, có nghĩa thông số khí thải biến đổi theo hướng dòng chảy xúc tác mà không biến đổi theo hướng mặt cắt ngang Để tính toán ta chia đoạn xúc tác thành n phần theo hướng dọc trục xúc tác với bước nhảy  x = 0,0025 (m) Trên sở bước không gian ta chọn bước thời gian  t = 0,005 (s) cho phù hợp với tiêu chuẩn họ phương trình Vì ta chia số phân tố đủ lớn tức bước nhảy không gian thời gian đủ nhỏ nên coi trình trao đổi nhiệt chất lượng đoạn phân tố bước nhảy thời gian liên tục Dựa sở ta phân bước thời gian sau : +Tại thời điểm đầu nhiệt độ bình xúc tác nhiệt độ môi tường Ta TXT 0x  Ta + Nhiệt độ khí thải Tg bước không gian xác định phương trình sau :  g u.C pg Tg t Tg (0, t )  Tgin  h.S (Ts  Tg ) 50 Để xác định toàn chiều dài xử lý ta có phương trình sau : Tg ,i 1  Ts ,i  (Tg ,i  Ts ,i ) exp( NTUh ) Trong : + NTUh  h.F với F diện tích bề mặt trao đổi nhiệt đoạn ống thải m g C pg + mg khối lượng dòng khí xúc tác Phương trình u C gi x  hDj S (C gi  C sj ) mô tả cân khối lượng cho loại khí thải Tích phân phương trình dựa phân tố  x trung hoà khí thải cho ta hàm lượng khí : C g ,i 1  C g ,i  (C g ,i  C s ,i ) exp(  NTUh ) Trong công thức : NTUh  h.Dj. g F mg Số mol nj cho đoạn đơn vị thể tích xúc tác : n j ,i  (C gj ,i  C gj ,i 1 ) mg V M (5  1) Trong V thể tích trung hoà khí thải Thay C g ,i 1  C g ,i  (C g ,i  C s ,i ) exp(  NTUh ) vào phương trình (5-1) ta được: n j ,i  (C gj ,i  C s ,i )1  exp(  NTUm j ) mg V M Phương trình cân trở thành S cat R j  (C gj ,i  C s ,i )1  exp(  NTUm j ) mg V M Trong : +j biểu thị cho khí thứ j 51 (5  2) + M khối lượng mol phân tử khí thải Phương trình (5-2) phương trình toán học không tuyến tính, Rj , hàm Ts,j Csj,i Do điều kiện biên phương trình : C g ,i (0, t )  C gin, j S cat R j  (C gj ,i  C s ,i )1  exp(  NTUm j ) mg V M (5  2) áp dụng cho tất loại khí j = đến chứa ẩn Cs,j Đây hệ phương trình đại số không tuyến tính nội phụ thuộc nên giải phương pháp Newton Hàm lượng loại khí xác định phương trình : C g ,i 1  C g ,i  (C g ,i  C s ,i ) exp(  NTUh ) điều kiện biên C g ,i (0, t )  C gin, j Nhiệt độ vách xúc tác xác định từ phương trình :  g u.C pg Tg t  h.S (Ts  Tg ) dTs dT (0, t )  ( L, t )  dx dx điều kiện biên : Ts ( s,0)  Ta Việc tính toán cgv ;Tg ; Csi ; Cgi trước bước thời gian lặp lại bước trước : C g ,i 1  C g ,i  (C g ,i  C s ,i ) exp(  NTUh ) (5.3) Tg ,i 1  Ts ,i  (Tg ,i  Ts ,i ) exp( NTUh ) Tg ,i 1 1n  Ts n 1  T  s c ps   Ks  Ts  x n i 1 (5.4) 2Ts 1n Ts  1S   (H )R  n i 1 cat j 1 j j  (5.5) Những phương trình giải máy tính ngôn ngữ lập trình Fortran tìm thông số cần tìm 52 CHƯƠNG IV KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG VÀ XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC BXT 4.1 Kết tính toán mô Việc tính toán thực theo phương pháp số hóa lập trình tính theo ngôn ngữ FORTRAN nói Mục đích việc tính toán kiểm tra thành phần khí thải thải môi trường sau qua trung hoà có đảm bảo nồng độ theo tiêu chuẩn cho phép hay không Có thể coi gần đoạn ống thải xúc tác xảy truyền nhiệt từ khí thải môi trường theo thành ống làm giảm nhiệt độ khí thải thành phần khí thải thay đổi qua xúc tác Do việc tính toán khả xử lý hệ thống ta tính toán hai chế độ không tải toàn tải Lưu lượng Gg, nhiệt độ Tt thành phần khí thải cửa thải CO, HC, NOx động xe Ford Laser chế độ chạy chậm không tải (KT) 1000v/p toàn tải (TT) 6000v/p dựa số liệu thực nghiệm Bảng 4.1 Bảng 4.1 : Các thông số khí thải cửa thải Chế độ Gg (g/s) Tt(oC) CO(%) HC(ppm) NOx(ppm) KT 600 0.7 600 1200 TT 90 750 600 2500 Chọn sơ kích thước lõi BXT sơ đồ bố trí hình 4.1 sau: - Đường kính lõi thứ trung hoà: d1 = 120 mm - Chiều dài lõi thứ trung hoà: lxt1 = 65 mm - Đường kính lõi thứ hai trung hoà: d2 = 120 mm - Chiều dài lõi thứ hai trung hoà: 53 lxt2 = 120 mm - Mật độ lỗ = 62 lỗ / cm2  = 0,15 mm - Chiều dày thành - Tỷ lệ mạ phủ chất xúc tác lên lõi = 2119 g/ m3 - Diện tích xúc tác/ chất xúc tác = 15 mm2/ g - Diện tích truyền nhiệt hình học = 2772 m2/ m3 - Diện tích xúc tác : 2119 x 15 =31788 m2/ m3 4.1.1 Sự thay đổi nhiệt độ khí thải dọc đường ống thải Mô hình tính toán giải phương pháp sai phân hữu hạn nói ngôn ngữ lập trình PORTRAN Nhiệt độ khí thải (oC) 800 700 600 500 400 Toàn tải Không tải 300 200 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 Khoảng cách từ cửa thải (m) Hỡnh 4.1 Sự phân bố nhiệt độ khí thải chế độ không tải toàn tải Kết tính toán thể hình 4.1 biểu diễn thay đổi nhiệt độ khí thải dọc theo đường thải chế độ không tải toán tải sau hệ thống đạt nhiệt độ ổn định (sau khoảng 10 phút) Kết cho thấy vị trí 0,9m đường ống thải tính từ cửa thải, nhiệt độ khí thải 300oC không tải 600oC toàn tải đủ sấy nóng BXT hoạt động hiệu không nóng để làm nhanh hỏng BXT 54 Hiệu biến đổi (%) 4.1.2 Hiệu BXT lõi 100 80 60 CO HC NOx 40 20 0 50 100 150 Thờii gian (s) 200 250 Hiệu biến đổi (%) Hình 4.2 Hiệu BXT lõi dài 185 mm chế độ toàn tải theo thời gian từ lúc khởi động 80 CO HC NOx 60 40 20 0 100 200 300 Thời gian (s) 400 500 Hình 4.3 Hiệu BXT lõi dài 185mm chế độ khởi động lạnh chạy ấm máy theo thời gian từ lúc khởi động Kết tính toán hiệu chung BXT lõi nêu trên đồ thị hình 4.2 hình 4.3 Ở chế độ toàn tải, sau khởi động chạy toàn tải động 125 giây, BXT đạt hiệu trung hoà CO tới 90%, HC tới 60% NOX tới 40% sau 250 giây BXT đạt hiệu trung hoà thành phần độc hại nêu tới 55 95% (Hình 4.2) Tuy nhiên chế độ khởi động lạnh chạy ấm máy (chạy không tải nhanh), lưu lượng nhiệt độ khí thải thấp nhiều so với chế độ toàn tải phải sấy nóng toàn BXT có khối lượng lớn nên BXT cần tới 500 giây sấy nóng để đạt hiệu trung hoà 60% HC, 40% NOx 70% CO (xem Hình 4.3) Như thời gian hầu hết thành phần độc hại CO, HC, NOx không bị Hiệu biến đổi HC (%) trung hoà mà bị thải trực tiếp môi trường gây ô nhiễm trầm trọng 80 0,20 L 0,35 L 0,70 L 1L 60 40 20 0 50 100 150 Thời gian (s) 200 250 Hình 4.4 Hiệu BXT lõi với chiều dài khác chế độ khởi động lạnh chạy ấm máy theo thời gian từ lúc khởi động (L=185 mm) Để tăng hiệu trung hoà khí thải giai đoạn khởi động lạnh chạy ấm máy, cần phải có biện pháp kích hoạt (đốt nóng) nhanh BXT Ở dùng biện pháp giảm khối lượng BXT (làm ngắn hơn) để giảm lượng nhiệt đòi hỏi để sấy nóng Hình 4.4 trình bày kết tính toán hiệu trung hoà HC BXT với chiều dài khác ngắn chiều dài BXT nói có đường kính giai đoạn khởi động lạnh chạy ấm động Kết đồ thị cho thấy chế độ này, BXT có chiều dài 0,35L (chiều dài 35% chiều dài BXT tiêu chuẩn ban đầu) cho hiệu cao sau 125 giây sấy nóng BXT đủ nhỏ để sấy nóng nhanh đủ lớn để có đủ diện tích bề mặt xúc tác với lưu lượng khí thải 56 4.1.3 Hiệu BXT lõi Dựa kết tính toán tối ưu kích thước BXT nêu cho giai đoạn khởi động lạnh chạy ấm máy kết tính toán hiệu BXT cho chế độ toàn tải chọn kết cấu BXT cải tiến để đạt hiệu tốt cho chế độ toán tải chế độ khởi động lạnh chạy ấm máy BXT cải tiến (Hình 5) gồm lõi, lõi ngắn có chiều dài 35% tổng chiều dài BXT đáp ứng yâu cầu làm việc chế độ khởi động lạnh chạy ấm máy ; lõi phía sau dài hơn, với lõi phía trước có tổng chiều dài 65 mm đáp ứng yêu cầu làm việc hiệu chế độ toàn tải Kết tính toán kiểm nghiệm hiệu BXT cải tiến lõi cho chế độ toàn tải chế độ khởi động lạnh chạy ấm máy trình bày đồ thị hình Hiệu biến đổi (%) 4.5 hình 4.6 100 80 60 CO HC NOx 40 20 0 50 100 150 Thời gian (s) 200 250 Hình 4.5 Hiệu BXT cải tiến lõi chế độ toàn tải theo thời gian từ lúc khởi động, lõi dài 0, 35L, lõi dài 0,65L (L=65 mm) Đồ thị hình 4.5 giới thiệu kết mô hình hoá tính toán hiệu BXT lõi nói chế độ toán tải động Kết cho thấy hiệu BXT lõi đạt cao hiệu BXT lõi chiều dài nói ; thời gian kích hoạt rút ngắt 57 Còn chế độ khởi động lạnh chạy ấm máy (hình 4.6), sau 150 giây sấy nóng, BXT đạt hiệu trung hoà HC 60%, NOx 40% CO 80% BXT lõi Hiệu biến đổi (%) cần 500 giây để đạt hiệu tương tự (Hình 4.3) 100 CO HC NOx 80 60 40 20 0 50 100 150 Thời gian (s) 200 250 Hình 4.6 Hiệu BXT cải tiến lõi chế độ khởi động lạnh chạy ấm máy theo thời gian từ lúc khởi động, lõi dài 0,35L, lõi dài 0,65L (L=65 mm) 4.2 Xác định kích thước BXT Bộ xúc tác nghiên cứu đạt hiệu giảm phát thải cao chế độ toàn tải chế độ khởi động lạnh chạy ấm máy, cho phép rút ngắn 70% thời gian kích hoạt chế độ khởi động lạnh chạy ấm máy từ 500 giây xuống 150 giây ; nhờ mà giảm tới 70% tổng phát thải giai đoạn động Do đó, kích thước chọn sơ BXT hợp lý Vậy, xác định kích thước BXT : đường kính 120mm, tổng chiều dài lõi L=185mm, lõi ngắn dài 0,35L, lõi dài dài 0,65mm 58 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Kết luận Giảm thiểu ô nhiễm môi trường phương tiện giao thông giới điều kiện phát triển bền vững vấn đề cấp bách, đặc biệt giai đoạn mà động coi hoạt động không ổn định giai đoạn khởi động, chạy nóng máy, chạy không tải Sự gia tăng nhanh chóng số lượng loại phương tiện giao thông làm sức ép vấn đề môi trường ngày lớn có nhiều phương pháp cắt giảm thành phần độc hại khí thải nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Từ biện pháp kỹ thuật động đến biện pháp xử lý khí thải với nhiều hướng giải pháp hay, hiệu thực tế kiểm nghiệm Từ sở lý thuyết cắt giảm thành phần khí thải độc hại liên quan đến xử lý khí thải đề tài nghiên cứu phương pháp đơn giản tiềm dễ áp dụng tăng hiệu xử lý khí thải giai đoạn khởi động, chạy nóng máy chạy không tải Đề tài nghiên cứu đưa phương pháp tăng hiệu xử lý xúc tác cách thay BXT lõi có chiều dài L BXT lõi có chiều dài 0,35L 0,65L Đề tài lập mô hình tính toán, kết tính toán cho thấy hiệu xử lý thành phần độc hại khí thải giai đoạn khởi động, chạy ấm máy chạy không tải đạt tiêu chuẩn quy định Mô hình tính toán thực nghiệm cho hệ thống thải động xe ôtô Ford Laser cho thấy vị trí 0,9 m từ cửa thải vị trí thích hợp để lắp trung hoà khí thải với thông số, kích thước nêu Kết tính toán thiết kế tối ưu BXT xe Ford Laser 1.8 cho thấy BXT cải tiến lõi (cùng đường kính tống chiều dài với BXT lõi cũ) thiết kế đạt hiệu trung hoà khí thải tốt chế độ toàn tải chế độ khởi động lạnh chạy ấm máy Kết cấu cho phép rút ngắn 70% thời gian kích hoạt chế độ khởi 59 động lạnh chạy ấm máy từ 500 giây xuống 150 giây ; nhờ mà giảm tới 70% tổng phát thải giai đoạn động Hướng phát triển Nghiên cứu thực nghiệm động để đánh giá hiệu giảm phát thải BXT cải tiến Từ hoàn thiện xúc tác cải tiến để phổ biến áp dụng cho xe du lịch trang bị BXT lõi sử dụng Việt Nam để góp phần giảm phát thải chung để giảm ô nhiễm môi trường 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Minh Tuấn, Khí thải động ô nhiễm môi trường, NXB Khoa học Kỹ thuật 2009 [2] Hoang D.L and Chan S H.; ICAT'99, Hanoi 21th-24th, 1999 [3] Burch S D., Potter T F., Keyser M A and Michaels K F.; SAE paper 950409, 1995 [4] Tamura N., Matsumoto S., Kawabata M and Machida, M.; SAE paper 960557, 1996 [5] Gottberg I., Rydquist J E., Backlund O., Wallman S and Swars H.; SAE 910840, 1991 [6] Pfalzgraf B., Otto E., Wirth A., Kueper P and Donnerstag A.; SAE paper 951072, 1995 [7] Langen P., Theissen M., Mallog J and Zielinski R.; SAE paper 940470, 1994 [8] Heck R M., Hu Z., Smaling M and Bourke M C.; SAE paper 952415, 1995 [9] Chan S.H and Hoang D.L.; In J of Heat and Mass Transfer 42, 1999 [10] Hausen H.; Heat Transfer in Counter, Parallel and Cross Flow, McGraw-Hill, NY 1983 [11] Chan S.H., Hoang D.L and Zhou P.L.; IMechE, Vol 214, Part D, 2000 [12] [12] Bird R.B., Stewart W.E.; Transport phenomena New York, John Wiley & Sons, 1960 61 ... TRèNH XC TC TRUNG HềA KH THI 31 26 26 26 27 29 30 3. 1 Gii thiu chung 3. 2 Quỏ trỡnh truyn nhit h thng thi 3. 2.1 Gii thiu chung 31 33 33 3. 2.2 Mụ hỡnh húa quỏ trỡnh truyn nhit ng thi 3. 3 Cỏc phn... cung cp ụxy cho cỏc t bo c th Mụ-nụ-xớt-cỏc-bon rt c, ch vi mt hm lng nh khụng khớ cú th gõy cho ngi t vong Hm lng cc i cho phộp [CO] = 33 mg/m3 O2 khí 0,7% Chất rắn 0,0008% NOx 0, 13% CmH n 0,09%... xõy dng cho cỏc loi ng c khỏc nh: ng c xe mỏy, ng c tnh ti, ng c xe v xe ti nh, ng c xe ti nng Chõu u ỏp dng mt s chu trỡnh th nh: ECE15, EUDC, NEDC th nghim cụng nhn kiu cho cỏc dũng xe mi Bt